Газовый разряд, при котором образуется плазменная газовая струя и при высоких температурах идут сложные процессы — молекулы распадаются на осколки, — вот что происходит в плазмотроне. Вместо нейтральных молекул получается смесь ионов, свободных радикалов и других частиц с высокой энергией. В струе плазмотрона могут происходить реакции, невозможные при обычных для химии температурах.
Когда в плазменную струю попадает другой газ, менее нагретый, он перемешивается и тоже становится участником превращений. Эти превращения протекают в тысячные, десятитысячные и даже еще меньшие доли секунды. За такие ничтожные промежутки времени успевает совершиться распад одних, перестройка и создание других соединений. Поэтому плазмохимия есть одновременно и химия высоких скоростей.
Только при высокой скорости и можно задержать участников реакции лишь настолько, чтобы получить нужные «горячие» частицы и не дать им измениться. Плазмохимия есть одновременно и химия горячих атомов.
Но ведь получив вещество в плазмотроне, надо его сохранить, чтобы оно не разложилось в той же сильно нагретой газовой струе. Для этого применяют быстрое охлаждение, причем именно в той зоне плазмы, где это нужно, и именно в тот момент, когда это нужно. Конечно, рассчитать работу плазмотрона могут только быстродействующие электронно-вычислительные машины. Только они в состоянии наилучшим образом определить технологию процессов, длящихся мгновения.
Сейчас плазма возникает в плазмотроне, а в будущем, возможно, «химическую» плазму станут получать, как отходы в термоядерных реакторах, а также под действием ядерного излучения.
«Совершенно новой областью знания становится химия неорганических веществ при высоких температурах — 3000–5000 °C. Уже сейчас изучение химических процессов в электрической плазме приобретает острый практический интерес. В будущем, когда будет решена проблема управляемой термоядерной реакции и когда такие температуры будут «отходами производства», проведение химических реакций при температурах 3000–5000° сделается, вероятно, основным в ряде технологических процессов, в частности при получении азотных удобрений», — говорит академик Н. Н. Семенов.
Химия высоких скоростей и высоких температур — новая глава в этой древней науке. И, кто знает, сколько увлекательных открытий предстоит сделать тем, кто занимается ими!
Новые открытия сулят и продвижение далеко вниз по температурной шкале. Уже выяснилось, что замороженные вещества могут реагировать между собой на глубоком холоде. Притом быстро, иногда далее быстрее, чем жидкости и газы при температурах повышенных. Хотя это кажется невероятным даже ученым, но, видимо, появился принципиально новый путь создания полимеров.
Оказалось, что свободные радикалы — те самые, что возникают при высоких температурах, — можно заморозить, и при сверхнизких температурах они живут уже не тысячные доли секунды, а намного дольше. Отсюда намечается путь, например, к топливу для ракетных двигателей невиданных мощностей. Энергия освобождается при рекомбинации свободных радикалов — при слиянии их в устойчивые молекулы.
Возможно, в будущем появится еще и химия низких и сверхнизких температур — криохимия.
ХИМИЯ ВЫСОКИХ ДАВЛЕНИЙ
Высокое давление — еще одно орудие химиков. Оно ускоряет химические превращения и помогает получать больше готового продукта. Неудивительно поэтому, что оно участвует в производстве искусственных удобрений, пластмасс и многого другого.
Перестраивая молекулы с помощью высоких давлений, можно получить новые химические соединения. И десятки тысяч атмосфер в химической лаборатории уже не редкость. Тысячи атмосфер уже теперь не редкость на заводах, где возводят постройки из атомов и молекул.
Напомню историю с атмосферным азотом. Он составляет три четверти воздуха, но, чтобы его использовать, надо заставить пассивный, инертный азот вступать в соединения, связать его с другими элементами, например с кислородом.
Пробовали получить окислы азота, прибегая только к нагреву. Попытка окончилась неудачей, так же как и попытка получить аммиак — азотноводородное соединение. Реакции шли слишком медленно. И только тогда, когда применили катализаторы и высокие давления, добились успеха. Миллионы тонн ценнейшего сырья были извлечены из кладовой атмосферы.
Неудачей кончались и все попытки создать искусственный алмаз — до тех пор, пока не объединили усилия высоких температур и давлений.
Химия высоких давлений, несомненно, таит много неожиданностей, причем даже не такого характера, какие известны сейчас. Не только ускорение реакций, не только получение соединений, которые обычно не получаются, и не только новое обличие, новые свойства у старых, давно известных веществ. Высокие и даже сверхвысокие давления в сотни тысяч атмосфер — далеко не предел.